回音传感器 MEMS 超声波传感器，推动ARVR 技术进步

发布时间：2025-01-20 01:01:34

MEMS 超声波传感器，推动ARVR 技术进步

当今，增强现实/虚拟现实 (AR/VR) 系统正在各个领域得到日益广泛的应用，例如在娱乐、教育、医疗保健和其他工业应用中。借助这些技术，用户能够在虚拟空间中模拟复杂任务，例如外科手术。无论在AR还是VR的系统中，传感技术已经成为关键技术之一。

传感技术通过先进精确的定位/运动检测，帮助用户在虚拟空间中获得现实的体验感。TDK最新的 AR/VR 系统使用飞行时间 (ToF) 技术来测量与某个物体的距离，超声波传感器吸引了极大关注。

● 让 AR/VR 变得更真实的挑战：减小超声波传感器的尺寸

● 采用基于 MEMS 的超小型传感器的 ToF 解决方案

让 AR/VR 变得更真实的挑战：减小超声波传感器的尺寸

2016 年开始各种头戴式显示器 (HMD) AR/VR 耳机的价格下降，全球 AR/VR 市场得以大幅增长，到 2025 年，该市场的规模很可能超过 110 亿美元（来源：“2017 AR/VR 相关市场的未来前景”，富士凯美莱总研）。过去AR/VR 系统主要用于游戏等娱乐应用，但它们在其他领域的使用预期也将会增加，例如在装配、制造、交通运输、零售、教育和医疗保健领域。

全球 AR/VR 市场

来源：“2017 AR/VR 相关市场的未来前景”，富士凯美莱总研。

最新模式的 AR/VR 系统中，用户能够在虚拟空间中模拟复杂的外科手术。具有六自由度 6-DoF 1*的头戴式显示器和手部控制器让这种应用成为可能。它可以实现虚拟空间中的人体运动与实际空间中的人体运动之间的无缝合成。它的实现是一种基于位叫做位置跟踪 2*的传感器技术和采用 ToF 方法测量与物体的距离的功能实现的。

ToF 技术基于光线、红外线或超声波从发射到被物体反射后返回传感器之间的时间差，来测量与物体的距离。无论是光学还是红外线 ToF 技术，虽然它们非常精确，但在存在障碍物的情况下都无法用于测量，也不适合测量与玻璃或其他透明物体的距离。超声波 ToF 技术可以精确测量与物体的距离，即便这些物体具有很高的反射性，而且这种技术也不会受到物体的光照条件、尺寸和颜色的影响。传统的超声波 ToF 传感器需要复杂的信号处理，而且尺寸过大，无法嵌入在家用电器中。

采用基于 MEMS 的超小型传感器的 ToF 解决方案

TDK 应对这一挑战的解决方案是 CH-101，它是新型的超小型超声波 ToF 传感器，其体积仅为传统超声波 ToF 传感器的千分之一。作为全球首款基于 MEMS 的超声波传感器，CH-101 在 Chirp 品牌下销售，它是一款真正具有突破性的产品，将压电微机械超声波换能器 (PMUT3*)、高能效 DSP（数字信号处理器4*）、低功耗 CMOS ASIC 5*组合在一起，采用尺寸仅为 3.5 x 3.5 x 1.25 mm 的小型封装。

体积仅为传统传感器千分之一的超小型传感器

CH-101 将 PMUT、高能效 DSP（数字信号处理器）、低功耗 CMOS ASIC 组合在一起，采用尺寸仅为 3.5 x 3.5 x 1.25 mm 的小型封装，其体积仅为传统超声波 ToF 传感器的千分之一。

蝙蝠能够在黑暗中自由飞行，而不会撞在物体上，是因为它们通过发出脉冲超声波并接收物体产生的回音，检测物体的位置和相对速度。这种方法叫回声定位，超声波传感器的位置跟踪也是应用同样的原理。

CH-101 带有嵌入式 PMUT，它可以发出超声波脉冲，并接收来自传感器视场范围内的物体的回声。结合各种不同的信号处理技术，该产品可在多种应用中使用，包括检测与物体的距离及其位置，感应物体存在并避免碰撞。此外，它需要的功耗也非常低，比传统超声波传感器的功耗低一百倍，具有出色的环保性能。

CH-101 超声波传感器支持“无处不在的 VR”

现有的基于光学传感器的 VR 系统将外部传感器与有线耳机和控制器组合在一起，前者发出红外线，后者则可响应红外线，从而定位用户的位置。采用 CH-101 的 VR 系统让用户只需使用耳机和控制器即可体验 VR。CH-101 超声波传感器可用于 HTC 开发的独立耳机 Vive Focus Plus 一体机。

CH-101 超声波传感器支持最大 100 cm 的传感范围，而即将于 2019 年底投入批量生产的新产品 CH-201 则支持最大 500 cm 的传感范围。由于使用了 MEMS 技术，传感器的尺寸变得空前小巧，我们预期它们将实现一系列应用，包括在 AR/VR 耳机、智能家居、无人机、机器人、智能手机和可穿戴设备等产品中。

超声波传感器应用于各个不同领域

CH-101：超声波 ToF 传感器

CH-101 是一款基于 MEMS 的超声波 ToF 传感器。与光学 ToF 传感器不同，它能够精确地测量与物体的距离，而不受物体尺寸、颜色和透明度的影响。此外，它也不会受到环境噪声的影响，例如周边环境中的杂音和噪声。如需获取详细信息，请访问 Chirp 网站。Chirp (CH-101)

术语解释

1*. 6-DoF：DoF 代表自由度。三自由度（即 3-DoF）对应于围绕 x、y、z 轴的旋转运动。这三种旋转运动与围绕这些轴的平移运动一起称为 6-DoF。

2*. 位置跟踪：在 AR/VR 系统中，位置跟踪指使用传感器来感测 HMD 系统和手部控制器的位置和方向的技术，从而让真实世界中的运动与虚拟世界中的运动保持同步。

术语解释

3*. PMUT（压电微机械超声波换能器）：基于 MEMS 的元件，用于发射压电超声波。

4*. DSP（数字信号处理器）：设计用于处理数字信号的专用微控制器（即具有 CPU 功能的芯片）。

5*. CMOS ASIC：基于 CMOS 的 ASIC（专用集成电路），它是一种 LSI（大规模集成）结构。

不看脸，用声音锁定你？蝙蝠传感器诞生

翻译自——allaboutcircuits

多年来，研究人员通过观察自然，特别是试图模仿动物的能力，对电子器件进行改进。最近，我们在一种以水母为灵感的自愈合电子凝胶电路和一种可穿戴的织物传感器上实现了突破。

但现在，一家公司已经把目光转向了蝙蝠、海豚和鲸鱼，以及它们的回声定位能力。苏格兰初创公司IMERAI将超声波回声定位传感器与人工智能结合在一起，以确定周围环境。然而，这个传感器不使用相机或光线来接收图像;相反，它依赖于声音。

IMERAI的创始人兼首席执行官Alex在Heriot-Watt大学的爱丁堡企业孵化器开始了他的创业之旅。在那里，他开发了一种非摄像头传感器，可以为声控智能家居助手添加视觉元素，而不会侵犯用户的隐私。

这种类似蝙蝠的传感器如何工作?

该装置的工作原理是通过反射物体的超声波，探测它们的相对距离和位置。人工智能随后处理这些数据，并创建一个详细的环境图像。

Bowen：“和许多问题一样，大自然有解决办法，在野外，蝙蝠发出尖叫，它们通过回声来了解距离和物理物体的位置……我们的传感器以类似的方式工作，利用回声定位来创建图像，而不需要任何识别数据，这样隐私就得到了保护。”

IMERAI的设备利用微电子机械系统(MEMS)麦克风重现回声定位和收集数据，然后将数据反馈给人工智能系统。它不需要从摄像头收集干扰性数据(比如你的脸)就能做到这一点。通过避开摄像头和人类的监督，这项技术有助于保护用户的隐私——这是AI技术一直存在的一个问题。

有效解决社交距离

虽然MEMS麦克风已经在移动设备、自主设备和智能家居应用中得到应用，但IMERAI认为它的技术可能会为更复杂的人工智能产品提供基础。

这种装置的一个直接应用可能是开放的工作场所，维持社交距离措施。鲍恩表示，这种类似蝙蝠的传感器可以计算办公室里有多少人，并确定每个人与其他人之间的距离。

从IMERAI传感器捕获的波形。

这项技术的另一个长期应用可能会出现在辅助生活中心。鲍恩解释:“这可能会改变痴呆症患者和其他需要辅助生活病患的习惯，允许他们的行动被监控，任何恶化都可以更快地恢复。”

IMERAI在这些场景中很有用，因为它不能捕捉敏感数据——即人脸图像。相反，它会生成匿名视频，而不会识别用户的身份。

回声定位 vs LiDAR

IMERAI的传感器如何达到目前基于摄像头的人工智能技术?

我们通常将激光雷达传感器与自动驾驶汽车联系在一起，它通过照亮目标和测量光线从物体反射回来的时间来捕捉成千上万的图像。对波长进行分析，以得到所选目标的数字表示。这项技术已经被用于各种各样的应用——例如考古调查，通过增加光脉冲的数量或缩短脉冲以获得更好的分辨率。

另一方面，IMERAI的超声波回声定位传感器通过测量声音的波长来建立三维图像并重建其周围环境。IMERAI在其孵化器描述中补充道:“与其他3D成像方法不同，我们的设备是完全静态的，没有活动部件。”

IMERAI的传感器，据说可以安全地保护任何产品的计算机视觉。

IMERAI表示，他们的技术可以作为相机的补充元件，因为相机在开机模式下会消耗电量。它还可以改变其数据输出，作为一个简单的距离传感器为低功耗应用程序或提供完整的3D视频。

IMERAI的户外声学成像技术也可以取代机器人和联网设备中的摄像头。

回声定位功能让AI拥有沉浸式体验

IMERAI称，其回声定位传感器标志着深度感知技术进入新篇章，它使计算机视觉无需光学元件。

未来，与神经网络一起工作的工程师可能会输入回声定位数据，以帮助他们的系统识别模式，捕捉常规，并适应变化。

虽然IMERAI还处于起步阶段，但它最近已经吸引了足够多的投资者来组建一个完整的工程团队，继续开发这项技术。

回音传感器 MEMS 超声波传感器，推动ARVR 技术进步

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